基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，属于激光改性及测量领域。该方法基于飞秒激光微纳加工系统，包括以下步骤：通过将购买的GaN基LED外延片样品放到已有的六自由度平移台上，激光通过平凸聚焦在样品表面。激光的能量可以通过衰减片调节，重复频率，扫描速度，扫描间隔可以通过已有的程序进行调节。测量加工后样品的PL谱线，对谱线进行后续分析计算，可以得出样品的折射率和厚度。对比现有技术，本发明专利技术提供的方法通过测量飞秒激光改性后样品的光致发光谱线，分析得到的谱线进而可以计算样品折射率和厚度。

Method of Measuring Refractive Index and Thickness of Thin Films by Laser Modification Based on PL Interference Phenomenon

【技术实现步骤摘要】
基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法
本专利技术涉及一种基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，属于激光改性及测量领域。
技术介绍
太阳能电池和LED等光电器件与我们的生活密切相关，其构成薄膜材料的光学性质(折射率、厚度等)对器件的性能起着至关重要的作用。然而，由于各种方法原理或者实验方法的局限性，同时测量折射率和厚度仍然是一个难题。现在测试折射率通用的方法有透射谱线法，椭圆偏振法，干涉法等。透射谱线法是利用样品的透射率谱线测量薄膜光学性质的方法。透射谱线法的实验过程比较简单，后续处理过程也比较容易，但是对样品的质量要求比较高，要求样品表面的薄膜必须均匀并且与表面平行，但其仅能测试样品的折射率，无法实现厚度和折射率的同时测量。干涉法是利用相干光干涉形成干涉条纹确定其折射率。但其测试过程比较复杂，容易磨损薄膜表面。折射率和膜厚的同时测量，存在操作困难，不易实现等问题。椭圆偏振法(椭偏法)是利用入射和反射光的偏振状态不同，获得薄膜厚度及其折射率的方法。但是椭圆偏振法测量膜厚随着入射光角度和波长的不同，测量得出的值也会变化。并且椭圆偏振法测量膜厚对于某一个特定的波长存在着一个膜厚周期，当测量的膜厚超过了一个周期后，其厚度为多个不确定的值。飞秒激光由于其超短的脉冲周期(10-14s)，远远小于电子与晶格的弛豫时间(10-10～10-12s)，从而可以在材料加工过程中可以忽略在一个飞秒脉冲周期内晶格的热传导，所以在加工结束后样品表面的微裂纹，重铸层，热影响区会大大减小。由于其脉冲的强度很高，基本上可以对所有材料进行加工。由于其灵活性很强，可以加工出各种三维结构进而改变材料的性质(光学性质、电学性质等)，飞秒激光受到了研究者的青睐。在本次介绍的方法中，通过飞秒激光加工出来的表面微纳结构，在光致发光谱线测试过程中发现了Fabry-Perot干涉现象，通过分析这个现象可以同时获得材料的折射率和厚度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，该方法能够同时测量出薄膜折射率和厚度。本专利技术的原理是利用飞秒激光加工系统在GaN基LED外延片表面进行改性加工，通过光致发光(PL)谱线测量发现了PL谱线的干涉振荡现象，通过对谱线干涉现象进行分析，可以得出样品的折射率和厚度。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，包括以下步骤：步骤一、采用飞秒激光对清洗干净的薄膜材料进行表面改性；所述激光能量为40-80mJ/cm2；清洗干净后得到样品；步骤二、将步骤一得到的样品放入光致发光光谱系统中，测量所述样品表面的PL谱线；步骤三、对步骤二测量过程中产生的干涉现象进行分析，用公式进行相应的计算，能够同时得出所加工样品的折射率和厚度。所述公式为厚度L计算如公式(1)所示：其中n(λ)是柯西色散公式，λpeak是第i个波峰处所对应的波长。其中A0，A1，A2是柯西色散公式的系数。λ是PL振荡曲线波峰处对应的波长。通过厚度计算样品的折射率n，如公式(3)所示：Δλ是两个波峰之间的间隔；λ1是He-Ne激光激发的电子-空穴对复合后被采集到的波峰值，是柯西色散公式对λ求导。有益效果1.本专利技术的基于Fabry-Perot干涉现象的飞秒激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，可以同时测量样品的折射率和厚度；2.本专利技术的基于Fabry-Perot干涉现象的飞秒激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，对材料的损伤面积可以很小，加工几十平方微米的面积就可以进行后续的测量；附图说明图1是飞秒激光加工前样品的光学显微镜表征；图2是飞秒激光加工后样品的光学显微镜表征；图3是飞秒激光加工前样品的扫描电子显微镜表征；图4是飞秒激光加工后样品的扫描电子显微镜表征；图5是飞秒激光加工前样品的原子力显微镜表征；图6是飞秒激光加工后样品的原子力显微镜表征；图7是峰数与2n(λpeak)/(λpeak)之间的关系，其中在图8中说明；图8为图7中的峰数顺序说明示意图；图9(a)样品加工前后的光致发光谱线，(b)和(c)分别为第一个波峰和第二个波峰的局部放大图；图10是光致发光测试产生干涉的原理示意图；图11是经过飞秒激光加工以及氦氖激光照射后产生干涉现象的示意图。具体实施方式下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料均可从商业途径得到。实施例1基于Fabry-Perot干涉现象的飞秒激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，包括以下步骤：一、将选用的GaN基LED进行预处理，在无水乙醇和去离子水中分别超声清洗5分钟使材料表面干净清洁。二、将清洗过的掺铝氧化锌放置在中心波长为800nm，脉宽为50fs，重复频率大于10Hz的飞秒激光加工系统中，飞秒激光通过100mm的平凸聚焦到材料表面。实现测量方法的装置，包括飞秒激光器、衰减片、光快门、物镜、六维移动平台、分束镜、成像装置和照明灯。加工光路：飞秒激光器发出的激光经衰减片，光快门和两个反射镜反射，然后由分束镜反射后经物镜聚焦到材料表面，照明灯发出的照明光经过分束镜和平凸照射到材料表面，被材料表面反射后经过平凸、分束镜进入成像CCD，通过电脑可以实时观察加工情况。三、控制飞秒激光的能量为0.2μJ/脉冲，重复频率为1000Hz，平移台移动速度为500μm/s，在样品表面加工出微纳凸起结构。四、进行光致发光测试(He-Ne激光功率为0.13mw)，对测量得到的谱线用公式进行分析计算。对图2中的干涉振荡谱线进行分析，厚度计算如公式(1)所示：其中n(λ)是柯西色散公式(见公式(2))，λpeak是第i个波峰处所对应的波长，其中波峰的顺序在如图8中说明。通过数据拟合得到图7，计算得到的斜率的倒数为样品的厚度～4592nm。其中A0～2.28，A1～11750，A2～4.42×109。通过拟合出的厚度，可以计算样品的折射率，如公式(3)所示：Δλ是两个波峰之间的间隔，在这里取了多个间隔的平均值(7.65nm)；λ1是He-Ne激光激发的电子-空穴对复合后被采集到的波峰值～453nm，是柯西色散公式对λ求导(λ～453nm)。从而可以算出样品的折射率n～2.395。上述制备方法中，在步骤三加工过程中调节飞秒激光的单脉冲能量和加工脉冲数，可以控制改性的程度。具体而言，单脉冲能量在0.2μJ，移动速度为500μm/s,扫描间隔为2μm时，激光加工后的表面出现了不规则的白色区域；加工前和加工后的光学显微镜对比图如图1和图2所示。通过实验发现激光能量在0.1μJ/脉冲和0.2μJ/脉冲之间时候，PL测试的谱线都出现了振荡现象。通过图1和图2所示，上述加工后的区域在光学显微镜下可以明显的看到表面原来的六边形形状变成了白色的无规则形状。通过电子显微镜表征可以看到加工后的样品表面出现了点状分布结构如图4所示。同时在原子力显微镜下可以看到加工区域呈现出凸起形状，如图6所示。可以从图3和图5中可以看到加工前的样品的表面是比较平整的。将加工的微纳结构用光致发光光谱系统测试其光学性质，如图9所示，发现加工后的样品的PL谱线(红线)与未加工过的样品(黑线)相比出现了振荡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、采用飞秒激光对清洗干净的薄膜材料进行表面改性；所述激光能量为40‑80mJ/cm

【技术特征摘要】
1.基于PL干涉现象的激光改性测量薄膜折射率和厚度的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、采用飞秒激光对清洗干净的薄膜材料进行表面改性；所述激光能量为40-80mJ/cm2；清洗干净后得到样品；步骤二、将步骤一得到的样品放入光致发光光谱系统中，测量所述样品表面的PL谱线；步骤三、通过下述公式对步骤二测量过程中产生的干涉现象进行计算分析，能够同时得出所加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，孙靖雅，谢钰铎，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11